1954年，美国科学家M.E.帕卡德（M.E.Packard）和R.H.瓦里安（Russell H.Varian）发明了测量地磁场总强度绝对值的质子磁力仪，随着微电子学应用于此类仪器，自20世纪70年代后期，成为地面磁测和台站观测应用最广泛的仪器。

直流极化质子磁力仪包括传感器和主机两个部分（图1），传感器中包含极化和接收共用的线圈及富含氢质子的煤油等工作物质。主机包含极化氢质子的极化电路和接收微弱信号的信号调理电路以及控制极化和接收时序的数字电路。

图1 质子磁力仪的传感器和主机

质子磁力仪原理如图2所示。当没有外界磁场作用于氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩，当开关闭合时，在垂直地磁场的方向，给工作物质加一足够强大的人工磁场，样品中的质子磁矩，将按方向排列起来，如图3a所示，此过程称为极化。然后，断开开关，切断磁场，地磁场对质子磁矩有的力矩作用，试图将质子磁矩拉回至地磁场方向。由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩将绕着地磁场的方向作旋进运动（拉莫尔旋进），如图3b所示。它好像地面倾斜旋转着的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而绕着铅垂方向作旋进（绕轴自旋转的同时还绕着一个大圆圈前进）运动的情景一样。

图2 直流极化质子磁力仪原理示意图

图3 质子旋进示意图

这个旋进的质子的宏观磁矩，在信号线圈中感应出旋进信号，经放大器放大、计数器测出旋进频率，从而计算出地磁场的磁感应强度，二者关系如下：

氢质子磁矩旋进的角速度与地磁场的大小成正比，关系为：

…（1）

…（2）

式中为质子的自旋磁矩与角动量之比，称为质子磁旋比。它是一个常数，数值是：

…（3）

…（4）

所以，只要能够准确测量出质子旋进频率，乘以常数，就得到地磁场磁感应强度的绝对值。

对应常用的质子磁力仪的工作范围20000～100000纳特的测量范围，的范围是851.520～4257.601赫兹。由于质子旋进信号是在几秒钟内即行消失的信号，所以，当分辨率达到0.1nT时，对于在数百毫秒内以1/1000000的精度测量这一信号，具有相当的挑战性。

根据用途不同，可分为台站质子磁力仪、地面质子磁力仪、航空或海洋质子磁力仪等。

典型的质子磁力仪的性能：灵敏度0.1纳特，精度1纳特，动态范围为20～120微特，功耗约为10瓦，读数时间3秒。

具有灵敏度高、动态范围大、成本低等特点。主要用于地磁场测量及地球物理勘探等领域，如固体矿产勘探、地震监测、考古、未爆炸物（UXO）探测等。